什么是真空熱處理？待處理材料或工件在真空或保護氣體環(huán)境下，通過電阻或感應(yīng)加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又在不同的冷卻介質(zhì)中以不同的速度進行冷卻，從而改變待處理材料或工件的表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)以達到消除、控制某些缺陷，改善、提高其性能和質(zhì)量的一種工藝。
真空熱處理是一種理想的無氧化、無脫碳的光亮熱處理技術(shù)。但是，在真空熱處理過程中金屬元素的蒸發(fā)、零件表層合金元素的貧化、抗腐蝕性能的下降以及提高零件的表面光亮度等難題是不可避免要出現(xiàn)的。
純金屬及合金中的金屬元素在一定的溫度及真空度下會產(chǎn)生蒸發(fā)。它對零件的真空熱處理質(zhì)量、對真空加熱室的污染均有著不可忽視的有害影響。根據(jù)相平衡理論，在不同溫度下，金屬蒸發(fā)作用于金屬表面上的平衡壓力(蒸氣壓)是不同的。隨著溫度的升高，蒸氣壓也升高。當(dāng)外界壓力小于該溫度下金屬元素的蒸氣壓時，金屬元素就會產(chǎn)生蒸發(fā)(升華)。外界壓力越小，即真空度越高，金屬元素就越容易蒸發(fā)。在相同的條件下蒸氣壓高的元素比蒸氣壓低的元素更容易蒸發(fā)。
合金中(包括零件材料、真空加熱室的結(jié)構(gòu)材料及工夾具材料)或者綁扎零件用的鐵絲的表面，如果含有蒸氣壓高的金屬元素(如Ag、Al、Mn、Cr、Si、Pb、Zn、Mg、Cu等)，在真空中加熱時，當(dāng)真空度高于金屬元素的蒸氣壓，則金屬元素將產(chǎn)生蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的金屬元素，呈氣體形態(tài)圍繞在固體金屬的周圍，粘附并污染金屬表面，冷卻時造成零件之間或零件與料筐之間的相互粘接，嚴重時會造成加熱元件與爐體間的短路。蒸發(fā)嚴重時，引起零件表層合金元素貧化而影響性能，并且造成表面粗糙，影響零件的表面光亮度。
因此，在真空設(shè)備中加熱處理，真空度的合理控制是一個相當(dāng)重要的問題，必須制訂嚴格的工藝和程序設(shè)定控制。
低壓氣體保護可減少金屬元素蒸發(fā)。為減少或避免合金元素的蒸發(fā)，可以采取向真空加熱室內(nèi)回充高純中性或惰性氣體(如氮氣、氬氣、氦氣等)的方法來提高壓強。將真空室內(nèi)的壓強調(diào)節(jié)在0.1～650Pa的范圍內(nèi)。這種真空保護氣氛熱處理方法又稱為低壓氣體保護法，既可防止合金元素的蒸發(fā)，又可獲得光亮的表面。這種方法的另一個好處是增加了對流傳熱作用，更有利于零件的均勻加熱。真空保護氣氛熱處理法所使用的氣體純度一般應(yīng)大于99.99%。若回充的中性或惰性氣體的純度不夠，不僅不會降低合金元素的蒸發(fā)速度，反而會使之增加，造成零件表層合金元素貧化，抗腐蝕能力下降。不銹鋼含有大量的Cr、Ni、AL、Mn、Ti等合金元素，其蒸氣壓都比較高。
真空固溶處理要求在較高的真空度(1.33×10-2～1.33×10-3Pa)下進行;為防止合金元素的蒸發(fā)，應(yīng)采用真空分壓處理，即先將加熱室的真空抽至1.33×10-2～1.33×10-3Pa，然后回充高純中性或惰性氣體，使充氣壓強保持在133～13.3Pa或者更高。高純中性或惰性氣體要始終保持向加熱室內(nèi)回充，一是使氣體充分起到保護作用，提高壓強減少金屬元素蒸發(fā);二是增加氣體對流傳熱作用，更有利于零件的均勻加熱。真空時效可采用較高的真空度(1.33×10-2～1.33×10-3Pa)。由于時效時間較長，所以，真空爐的壓升率最好小于或等于0.67Pa/h，否則，不易保證零件的表面光亮度。
真空熱處理采用分壓加熱時回充氣體應(yīng)選擇高純度的中性或惰性氣體，氫、氦、氮、氬等氣體常見氣體，其四種氣體的冷卻速度由快至慢依次為氫、氦、氮、氬。如以空氣的冷速為1，則氫、氦、氮、氬與空氣的冷速之比分別為7、6、0.99、0.7。
氫氣在任何壓強下都具有最大的熱傳導(dǎo)能力及最大的冷速，可以用于石墨作為加熱和隔熱元件的真空爐。但是，對含碳量高的鋼種，在冷卻的高溫階段(1050℃以上)有可能造成輕微脫碳;用于高強度鋼則有氫脆的危險。用氫作冷卻介質(zhì)的供氣系統(tǒng)應(yīng)密閉可靠，完成冷卻操作后，應(yīng)及時排出氫氣，并充入氮氣，方可打開爐門，否則，有引起爆炸的危險。
氦氣的價格最高。由于它在低壓下也有一定的冷卻能力，所以，一般在1×10-4Pa以下的充氣壓強下使用。
氮氣是最常用的氣體，也最便宜。在略低于大氣壓壓強下進行強制循環(huán)冷卻，冷卻烈度值可上升約20倍。在200～1200℃范圍內(nèi)，氮氣對一般鋼呈中性，對鈦合金、不銹鋼、高溫合金等呈一定的活性，若在氮氣分壓下進行真空加熱和冷卻，零件表面有Cr2N形成，導(dǎo)致表面性能變壞，即抗拉強度增加，斷面收縮率下降，抗腐蝕性也會受到一定的影響。所以不宜用氮氣。
氬氣較為常見，價格比氦氣便宜，但比氮氣貴，在不宜使用氮氣的場合，如不銹鋼，高溫合金與鈦合金的真空加熱和冷卻，使用氬氣效果更好。
因此，在真空熱處理過程中有必要向加熱室回充高純中性或惰性氣體，從而提高加熱室內(nèi)真空工作壓強，減少金屬元素的蒸發(fā)，避免引起零件表面合金元素貧化而影響熱處理后零件的抗腐蝕性能，分壓壓強以及分壓時間必須選擇適當(dāng)，才能達到減少蒸發(fā)，又可獲得表面光亮的效果。
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